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摘要:研究了不銹鋼模具板的化學(xué)蝕刻、化學(xué)拋光和電鍍鉻工藝。分析了影響蝕刻、化學(xué)拋光和電鍍鉻質(zhì)量的因素,得到了化學(xué)蝕刻、化學(xué)拋光及電鍍鉻最佳工藝參數(shù)和操作規(guī)范。該工藝可以用于各種類型不銹鋼的化學(xué)蝕刻、化學(xué)拋光和電鍍鉻處理。
關(guān)鍵詞:不銹鋼;模具板;化學(xué)蝕刻;化學(xué)拋光;電鍍鉻
中圖分類號(hào):TG175;TG178;TQ153.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
引 言
人造木材由于具有色彩鮮艷、圖案清晰和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于建筑裝飾和家具等行業(yè),制約人造木材生產(chǎn)的關(guān)鍵是模具板。利用蝕刻方法能夠在不銹鋼模具上雕刻出各種花紋圖案,提高所加工制件的裝飾和美觀性能。在蝕刻的基礎(chǔ)上進(jìn)行拋光和電鍍鉻,不僅可以降低模具的粗糙度,而且可以提高其耐磨性能等。
不銹鋼蝕刻技術(shù)分為機(jī)械、化學(xué)和電化學(xué)方法等[1～4],其中化學(xué)蝕刻具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、精度高和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),適合于批量生產(chǎn),蝕刻深度為20～200μm。化學(xué)蝕刻涉及材料科學(xué)、照相制版技術(shù)和金屬腐蝕與防護(hù)等。圖紋膜的致密性、耐蝕性和耐熱性尤為重要。不銹鋼拋光技術(shù)分為機(jī)械、化學(xué)和電化學(xué)拋光,其中化學(xué)拋光具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、投資少、生產(chǎn)成本低和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[5,6],化學(xué)拋光實(shí)際是不銹鋼溶解和鈍化兩種過程相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果,拋光質(zhì)量不僅與不銹鋼材質(zhì)、加工方法、制品大小和結(jié)構(gòu)以及表面狀態(tài)等有關(guān),而且還與溶液配方和拋光工藝參數(shù)有關(guān)。化學(xué)拋光溶液分為王水型、硫酸型、磷酸型和醋酸-雙氧水型等[7],為了改善和提高拋光質(zhì)量而加入一定量添加劑,添加劑的作用包括緩蝕、整平、增稠、增光、消泡和抑霧等[8]。不銹鋼化學(xué)拋光分為浸泡、噴淋和涂膏等,浸泡又分為高溫、中溫和室溫拋光[9]。
目前,我國(guó)人造木材行業(yè)應(yīng)用的模具板主要是從歐洲進(jìn)口,不僅價(jià)格昂貴,而且修復(fù)困難,因此不銹鋼模具板的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)不銹鋼板材,研究了化學(xué)蝕刻、化學(xué)拋光和電鍍鉻工藝參數(shù)。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 各種溶液組成
1)化學(xué)除油溶液
1.2 工藝流程和工藝規(guī)范
不銹鋼工件→前處理(手工清理,去除毛刺和焊瘤等)→除油(70～80℃,除盡為止)→清洗→干燥→覆蓋帶有圖紋的膜(應(yīng)具有無孔、耐蝕和耐熱)→化學(xué)蝕刻(45～50℃,蝕刻速度10～20μm/h)→清洗→脫膜→清洗→化學(xué)拋光(25～40℃,1～5h)→清洗→中和(25～40℃,1min)→清洗→電鍍鉻(陰極電流密度50～60A/dm2,55～60℃)→產(chǎn)品→保護(hù)處理→入庫。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 影響蝕刻的因素
1)FeCl3的質(zhì)量濃度
在蝕刻溫度為50℃和鹽酸為12mL/L條件下實(shí)驗(yàn):a.FeCl3質(zhì)量濃度不僅影響蝕刻速度,而且影響蝕刻質(zhì)量。當(dāng)FeCl3小于600g/L時(shí),蝕刻速度慢,很難達(dá)到蝕刻效果;b.當(dāng)FeCl3在600～900g/L范圍內(nèi),蝕刻速度隨FeCl3質(zhì)量濃度的增加而增大;c.當(dāng)FeCl3質(zhì)量濃度大于900g/L時(shí),不僅蝕刻速度隨著FeCl3質(zhì)量濃度的增加而減小,而且蝕刻面出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,蝕刻面大時(shí)尤為明顯,這是由于蝕刻產(chǎn)物在蝕刻面上結(jié)晶析出所致。綜合考慮,對(duì)于奧氏體不銹鋼,FeCl3質(zhì)量濃度應(yīng)控制為660～850g/L。另外,攪拌有利于蝕刻產(chǎn)物的溶解,但是攪拌速度太快會(huì)引起圖紋膜脫落。
2)鹽酸的質(zhì)量濃度 不銹鋼的蝕刻速度隨溶液酸度增加而增大,因此在蝕刻溶液中加入一定量鹽酸、磷酸或硫酸等有利于提高蝕刻速度,同時(shí)可以避免Fe3+水解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采用8～20mL/L的鹽酸效果較好。
3)蝕刻溫度 蝕刻溫度不僅影響蝕刻速度,而且影響蝕刻面的光澤度、平整性和圖紋膜的穩(wěn)定性。從動(dòng)力學(xué)角度考慮,蝕刻速度隨著溫度升高而增大,但是溫度太高,蝕刻面粗糙度增大和咬邊現(xiàn)象明顯。綜合考慮蝕刻速度、蝕刻效果和圖紋膜的熱穩(wěn)定性等,控制蝕刻溫度在45～50℃范圍內(nèi)為宜。
4)蝕刻溶液維護(hù) 隨著蝕刻反應(yīng)的進(jìn)行,蝕刻速度逐漸減小。在蝕刻過程中,及時(shí)補(bǔ)加鹽酸和雙氧水使蝕刻溶液再生,保證FeCl3的氧化電位大于540mV。
隨著蝕刻的進(jìn)行,溶液中Cr3+和Ni2+濃度不斷增大,當(dāng)濃度增大于一定值后,無論怎樣調(diào)整也達(dá)不到蝕刻效果,此時(shí)應(yīng)棄掉重新配置。另外,在蝕刻過程中及時(shí)補(bǔ)加鹽酸和用空氣攪拌也能起到維護(hù)蝕刻溶液的作用。
2.2 影響拋光的因素
1)硝酸的質(zhì)量濃度 在鹽酸為125mL/L、磷酸為25mL/L、溫度為35℃和時(shí)間為2h條件下,發(fā)現(xiàn):a.當(dāng)硝酸小于10mL/L時(shí),開始表面上形成一層淺黃色粘膜,后期表面呈淺灰色,亮度很差;b.當(dāng)硝酸為15～50mL/L時(shí),開始表面上形成較厚的青色粘膜,后期表面有一層浮灰,擦去后光亮如鏡;c.當(dāng)硝酸大于50mL/L時(shí),表面首先有一層極厚的青綠色粘膜,后期表面有大量浮灰,亮度很差且有大量黃煙生成。這是因?yàn)橄跛崾菑?qiáng)氧化性酸,對(duì)不銹鋼具有酸性溶解和鈍化雙重作用。當(dāng)硝酸濃度過低時(shí),主要表現(xiàn)為酸性腐蝕溶解,不光亮;當(dāng)硝酸濃度過高時(shí),不銹鋼溶解過快,形成大量黃煙,不易控制,沒有亮度。綜合考慮,硝酸應(yīng)為15～40mL/L。
2)鹽酸的質(zhì)量濃度 在硝酸為45mL/L、磷酸為25mL/L、溫度為35℃和時(shí)間為2h條件下,發(fā)現(xiàn):a.當(dāng)鹽酸小于50mL/L時(shí),開始表面形成一層淺黃色粘膜,后期表面雖然平整,但不光亮;b.當(dāng)鹽酸在60～130mL/L時(shí),表面形成較厚的青色粘膜,表面比較光亮;c.當(dāng)鹽酸大于140mL/L時(shí),開始表面有一層極厚的青綠色粘膜,后期表面無浮灰,但烏黑,有明顯的氣道和大量黃煙生成。原因在于鹽酸是非氧化性酸,不僅可以去除不銹鋼表面的氧化皮,而且也可以溶解不銹鋼基體,特別是微觀突起部分,起一定整平作用。鹽酸用量較少時(shí),不銹鋼溶解緩慢,所需拋光時(shí)間很長(zhǎng),而且容易出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象,特別是當(dāng)材質(zhì)不均時(shí)尤為明顯。當(dāng)鹽酸用量較多時(shí),不銹鋼溶解過快,不銹鋼表面會(huì)有明顯的氣體流動(dòng)痕跡,拋光效果很差,同時(shí)大量Fe2+加速了硝酸的還原,析出的NOx氣體形成黃煙污染環(huán)境。綜合考慮,鹽酸可控制為60～100mL/L。
3)磷酸的質(zhì)量濃度 在硝酸為45mL/L、鹽酸為125mL/L、溫度為35℃和時(shí)間為2h條件下,發(fā)現(xiàn):a.當(dāng)磷酸小于15mL/L時(shí),開始表面形成一層淺黃色粘膜,后期表面既不平整又發(fā)黑;b.當(dāng)磷酸為20～50mL/L時(shí),開始表面形成較厚的青色粘膜,可以得到較高的光亮度;c.當(dāng)磷酸大于60mL/L時(shí),開始表面有一層厚青綠色粘膜,后期沒有氣道出現(xiàn)和黃煙生成,雖然表面相當(dāng)平整,但烏黑沒有亮度。磷酸溶解能力比鹽酸低,沒有氧化能力,在拋光溶液中加入磷酸是為了在不銹鋼表面形成一層磷酸鹽膜,以阻止對(duì)不銹鋼基體造成過腐蝕,但較高的磷酸易形成較厚的磷酸鹽膜,從而影響溶解速度,導(dǎo)致光亮度較差。綜合考慮,磷酸的用量為20～45mL/L。
4)添加劑 以氯烷基吡啶、鹵素化合物、含氰化合物和磺基水楊酸為光亮劑,若丁和有機(jī)胺為緩蝕劑,纖維素醚、聚乙二醇、丙二醇和丙三醇為增稠劑實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用復(fù)合光亮劑、緩蝕劑和增稠劑效果效好,添加量分別為1～5g/L、0.2～2g/L和2～20g/L,復(fù)合光亮劑∶緩蝕劑∶增稠劑=4∶1∶6。添加劑最適宜的總質(zhì)量濃度為5～10g/L。
5)溫度和時(shí)間 固定鹽酸為125mL/L、硝酸為45mL/L、磷酸為25mL/L、添加劑總質(zhì)量濃度為6g/L。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在25～40℃溫度范圍內(nèi),拋光1～5h,都可以獲得光亮如鏡的拋光面。降低拋光溫度,必須適當(dāng)提高拋光時(shí)間。
2.3 拋光溶液維護(hù)
隨著拋光的進(jìn)行,三種酸的濃度會(huì)有所改變,拋光效果會(huì)越來越差,為了保持拋光效果,延長(zhǎng)拋光溶液的壽命,拋光一段時(shí)間以后需要對(duì)拋光溶液進(jìn)行調(diào)整維護(hù)。三種酸的添加比例:硝酸(65%)∶鹽酸(36.5%)∶磷酸(85%)=10∶1∶1。當(dāng)拋光溶液使用較長(zhǎng)時(shí)間以后,經(jīng)調(diào)整仍得不到理想效果時(shí),應(yīng)棄去重配。
2.4 電鍍鉻及影響因素
1)鉻酐質(zhì)量濃度 鉻酐的質(zhì)量濃度除了對(duì)鍍速有很大的影響,還直接影響著鍍液的穩(wěn)定性。其主要原因是鉻酐的質(zhì)量濃度較低,使鍍液對(duì)雜質(zhì)離子如三價(jià)鐵離子變得極為敏感。考慮到穩(wěn)定的情況,鉻酐的質(zhì)量濃度應(yīng)在230～270g/L。
2)硫酸質(zhì)量濃度 硫酸質(zhì)量濃度是電鍍中較難控制的參數(shù)。硫酸質(zhì)量濃度過高或過低,往往會(huì)引起鍍層“露黃”、帶黃彩膜或藍(lán)彩膜、燒焦和發(fā)霧等問題。中濃度鍍鉻溶液中硫酸的質(zhì)量濃度是根據(jù)其與鉻酐質(zhì)量濃度的比值確定的。通常,鉻酐/硫酸=90～120,因此,硫酸的質(zhì)量濃度取為2.3～2.7g/L。
3)三價(jià)鉻質(zhì)量濃度 三價(jià)鉻離子應(yīng)該保持一個(gè)較低的水平,因?yàn)殡S著三價(jià)鉻質(zhì)量濃度的升高,便會(huì)出現(xiàn)分散能力降低、電流范圍狹窄等一系列的問題。這些問題通過增加陽極面積等方法是無法解決的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)三價(jià)鉻的質(zhì)量濃度<5g/L時(shí),鍍液會(huì)相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定。
4)陰極電流密度 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在較寬的電流密度范圍內(nèi)均可得到質(zhì)量良好的鍍層,而當(dāng)電流密度過高時(shí),鍍層開始由光亮變得泛白,甚至出現(xiàn)鍍件邊角粗糙、燒焦的現(xiàn)象。電流密度過低也會(huì)出現(xiàn)光亮度降低、漏鍍的現(xiàn)象。綜合考慮,陰極電流密度應(yīng)保持在50～60A/dm2。
5)溫度 赫爾槽和小槽實(shí)驗(yàn)說明溫度對(duì)鍍層的外觀和質(zhì)量有很大的影響,溫度較低時(shí),電結(jié)晶過程較慢,陰極極化較大,晶粒細(xì)致緊密,但色澤較暗;溫度較高時(shí),陰極極化較小,鍍速很快,但鍍層疏松多孔,質(zhì)量較差。綜合考慮,溫度應(yīng)控制在55～60℃。
3 結(jié) 論
1)化學(xué)蝕刻最佳配方和工藝參數(shù)為:FeCl3660～850g/L、HCl(36%)8～20mL/L,添加劑10～20g/L,溫度45～50℃。在此條件下,蝕刻速度為10～20μm/h,蝕刻時(shí)間根據(jù)圖紋具體深度而定。
2)化學(xué)拋光最佳配方和工藝參數(shù)為:硝酸(65%)15～40mL/L,鹽酸(36.5%)60～100mL/L,磷酸(85%)20～45mL/L,復(fù)合光亮劑1～5g/L,緩蝕劑0.2～2g/L,增稠劑2～20g/L,拋光溫度為25～40℃,拋光時(shí)間為1～5h。在此條件下,可以獲得光亮如鏡的拋光面。
3)電鍍鉻最佳工藝:鉻酐230～270g/L,硫酸2.3～2.7g/L,三價(jià)鉻<5g/L,陰極電流密度50～60A/dm2,溫度55～60℃。鉻酐在電鍍鉻溶液中不僅起到穩(wěn)定鍍液的作用,而且對(duì)pH也有一定的緩沖作用,從而使得鍍層厚度可持續(xù)增加。
